Fahrzeugantriebe

Die Simulationsrechnung gewinnt als erste Phase, aber auch als ständig begleitendes Instrument, in der Motorenentwicklung immer mehr an Bedeutung. Für die Brennverfahrensentwicklung ist neben der CFD-Berechnung, die die Zylinderinnenströmung erfasst, die Verbrennungssimulation von besonderem Interesse. Die derzeit verwendeten, dreidimensionalen Berechnungsmodelle beschreiben den Verbrennungsprozess mit Gleichungssystemen, die auf partiellen Differentialgleichungen basieren. Diese werden mit Hilfe von numerischen Verfahren gelöst. Aufgrund der hohen Anzahl an einzelnen Rechenoperationen, die diese Berechnungsmethode erfordert, ergeben sich lange Rechenzeiten. Auch treten bei einigen Verfahren zur Verbrennungsmodellierung mitunter numerische Instabilitäten auf, deren Ursachen in der Wahl der Randbedingungen, der räumlich und auch zeitlich diskreten Intervalle sowie im Modell an sich liegen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein anderer Ansatz für die prädiktive Verbrennungssimulation gewählt. Dabei handelt es sich um das Prinzip des Zellulären Automaten. Diese Berechnungsmethodik aus der Informatik bietet die Möglichkeit, komplexe Vorgänge ohne partielle Differentialgleichungen beschreiben zu können, und findet in anderen wissenschaftlichen Disziplinen seit längerem Anwendung. Der Simulationsraum wird dabei in identische Elemente, die sogenannten Zellen des Automaten, aufgeteilt, die nach diskreten Zeitschritten diskrete Zustände aufweisen. Der Zustand einer jeden Zelle ergibt sich aus Berechnungsregeln, denen die Zustände der Zelle selbst und ihrer lokalen Nachbarn als Eingangsgrößen dienen. Die Zustandsaktualisierung erfolgt für alle Zellen räumlich parallel und zeitlich synchron. Die Parallelität der Berechnung führt dazu, dass komplexe Systemverhalten trotz einfacher Regeln abgebildet werden können. Im Übertrag auf die Verbrennungssimulation wird dementsprechend der Brennraum in Zellen aufgeteilt. Basierend auf dieser allgemeinen Funktionsweise Zellulärer Automaten ist ein Berechnungsmodell für die Simulation einer ottomotorischen Verbrennung mit äußerer Gemischbildung und CH4 als Kraftstoff entwickelt worden. Die Intention ist, eine hohe Ergebnisqualität bei moderaten Rechenzeiten zu erzielen. Um den gewählten Ansatz und das entwickelte Modell anwenden und bewerten zu können, ist es in ein Softwareprogramm umgesetzt worden. Die initiale Parametrierung sowie der Abgleich der Berechnungsergebnisse erfolgte mit Messergebnissen eines am Motorprüfstand mit Erdgas betriebenen Versuchsmotors. Es kann gezeigt werden, dass das Prinzip des Zellulären Automaten als Berechnungsmethodik eine aussichtsreiche Alternative zu den bisherigen Berechnungsverfahren darstellen kann. Die als Referenz genutzten, bekannten Betriebspunkte können mit dem Berechnungsmodell mit hohem Übereinstimmungsgrad abgebildet werden. Auch prädiktive Rechnungen zeigen plausibles Systemverhalten und realistische Resultate. Sowohl mit der erzielten, hohen Aussagekraft der Ergebnisse als auch mit der geringen Rechenzeit werden die in diesen Ansatz gesetzten Erwartungen erfüllt.

Mit der Forderung nach realitätsnahen Verbrauchs- und Emissionsangaben gewinnt die Umsetzung von instationären Motorenversuchen zwangsläufig an Bedeutung. Mithilfe von instationären Untersuchungen besteht die Möglichkeit, frühzeitig im Laufe des Entwicklungsprozesses entsprechende Applikationsaufgaben und zuverlässige Prognosen vorzunehmen. Der klassische Motorenversuch und die anschließende thermodynamische Analyse sowie die Simulationsrechnung des innermotorischen Prozesses basieren jedoch häufig auf stationären Betriebszuständen. Für die Berechnung von instationären Betriebszuständen, z.B. einem Beschleunigungsvorgang bzw. einem Drehmomentaufbau, wird oftmals auf die Ergebnisse solcher stationären Untersuchungen zurückgegriffen. Selbst bei feiner Rasterung der stationären Kennfelddaten verbleibt eine gewisse Unsicherheit, da prinzipbedingt nur eine quasi-stationäre Betrachtung erfolgen kann. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit eine Erweiterung der etablierten Toolkette zur Analyse und Simulation des Motorprozesses um instationäre Ansätze vorgenommen. Besonders bei spontaner Lastanforderung ergibt sich der Umstand, dass die Aktuatoren am Motor und bestimmte Parameter erst nach einer gewissen Zeit die erforderlichen Positionen und Werte angenommen haben und sich damit der stationäre Betriebszustand einstellt. Deshalb ergeben sich während eines Betriebspunktwechsels abweichende Randbedingungen bei den durchlaufenen Betriebspunkten im Vergleich zum stationären Betrieb. Mithilfe von Wiederholungsmessungen und der Synchronisation der Prüfstandsteuerungs- und Messeinrichtungen gelingt es, instationäre Betriebspunkte am Motorenprüfstand zu generieren, welche die tatsächliche Abfolge der durchlaufenen Betriebspunkte jeweils anhand eines mittleren Arbeitsspiels abbilden. Dadurch wird einerseits das instationäre Systemverhalten des untersuchten Motors unabhängig von Zyklenschwankungen und Messunsicherheiten wiedergegeben und andererseits lassen sich Unterschiede zwischen stationären und instationären Betriebspunkten darstellen. Damit liegt ein vertieftes Verständnis der realen Vorgänge im Fahrzeugbetrieb vor und der bisherige Fehler durch eine vereinfachte, quasi-stationäre Betrachtung lässt sich quantifizieren. Neben den erforderlichen Anpassungen der Prüfstandarchitektur und der thermodynamischen Analyse instationärer Betriebspunkte wird ein Modell zur Bestimmung der Brennraumwandtemperatur während instationärer Betriebsphasen vorgestellt. Darüber hinaus erfolgen detaillierte Übereinstimmungsanalysen charakteristischer Betriebsparameter stationärer und instationärer Betriebspunkte. Insbesondere die Differenzen beim Restgasgehalt und Verbrennungsluftverhältnis zeigen auf, dass die Vorgänge während der instationären Betriebsphasen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die durchlaufenen Betriebspunkte haben. Die Höhe der Abweichungen wird dabei mit der Betriebsdynamik in Verbindung gebracht und die damit verbundenen Einflüsse auf den Motorprozess werden diskutiert.

Within the scope of downsizing and downspeeding concepts shifting the operating points in the engine map to higher load points of gasoline engines enhances the knocking endangered operating points in the vehicle used operation. In addition to the increased fuel consumption reduction of gasoline engines this denotes the important motivation for detecting, evaluating and avoiding the knocking combustion. As a starting point, this thesis presents a survey of both the overall schemes and the essential knowledge of the knocking combustion that has been gained in research over more than 100 years. The evaluation methods described in literature are presented and analysed with respect to their ability of being repeated. In the case of unequivocal repeatability these knock criteria are used for comparative investigations. These investigations yield the development of a new approach for the evaluation of the knocking combustion. The new approach is based on the detection of the self-ignition centers which is independent from the evaluation of the damaging potential of the knocking combustion. This proves to be a crucial benefit when compared with the established knock criteria. In order to detect the knocking combustion the slope of the net heat release curve of a high-resolution low-pass filtered cylinder pressure signal is analyzed. Simultaneously the point in time of the development of self-ignition centers and the prediction of occurrence of high frequency oscillations of knocking combustion are determined. The evaluation of the knocking combustion, however, requires the analysis of the high-frequency oscillations of the cylinder pressure signal. Hence, the approach developed here enables the evaluation of the knock intensity by analyzing the band-pass filtered net heat release rate of an unfiltered high resolution cylinder pressure signal. Using the fibre optic measurement equipment it is possible to detect both the knocking combustion and the development of the self-ignition centers by means of a measurement technology which is independent from the cylinder pressure signal. At the same time the differences in comparison with the established determination methods become apparent. The results based on the new approach suggest that even unfavourable conditions are not detrimental for the determination of the knocking combustion. This sets the new approach apart from the knocking criteria available in literature.

The engine calculation is an established tool for describing the thermodynamic process in internal combustion engines. The process gas is often described as an perfect gas and thus allows a relatively simple way of modeling. However, the behavior of a gas can only be seen as perfect up to 5 bar because the intermolecular interactions increase at higher pressures. The peak pressures in current internal combustion engines are already > 200 bar and are thus clearly above the stated limit. In research projects even peak pressures up to 365 bar were investigated. In this work, an approach is presented, which takes into account the real gas properties of the exhaust within the engine calculation. Basis of the developed model is a chemical equilibrium calculation, which results in the composition of the exhaust. The consideration of the real gas properties is done using the virial equation, which is parameterized based on the concentrations as a result of the chemical equilibrium calculation. The virial equation can be solved analytically and is validated for a pressure range of up to 400 bar. The results on a research gasoline engine show that the chemical equilibrium calculation reproduces the physical effects in both the under - and over-stoichiometric area very well. Measurements on a research diesel engine demonstrate the influence of the real gas properties on the working process. The deviations in the calculated cylinder pressure at a peak pressure of 170 bar are up to 6 bar neglecting the real gas behavior, whereas the deviations are at a significantly lower level taking into account the real gas properties. In addition, these deviations are estimated for cylinder peak pressures up to 400 bar based on engine simulations. Furthermore, the deviation of the cylinder pressure at top dead center between ideal and real gas behavior in the towed engine operation is given for a variation of the boost pressure and the compression ratio. This illustration allows an estimation of the real gas influence on the working cycle of engines with different combustion processes.